L’une des tâches du concepteur de la tuyauterie d’une installation frigorifique consiste à choisir le diamètre des différentes conduites du système et à spécifier les matériaux des tubes, leur emplacement, leur pente et leurs supports. La préoccupation habituelle est de s’assurer que le tube est suffisamment grand, mais dans plusieurs situations, une vitesse minimale du fluide frigorigène doit être maintenue dans le tube, ce qui impose un diamètre maximal.
Perte de charge dans la tuyauterie d’une installation frigorifique
Les concepteurs de systèmes frigorifiques effectuent la plupart de leurs choix de diamètres à l’aide d’abaques de perte de charge spécifiques. Un abaque distinct existe pour chaque fluide frigorigène, et le nombre de fluides à traiter est généralement limité. Pour les vapeurs, la perte de charge dépend du niveau de pression, indiqué par la température de saturation. Il peut toutefois exister des situations que les abaques standard ne couvrent pas, par exemple pour de nouveaux fluides frigorigènes ou pour des fluides frigoporteurs. Dans ces cas, il est utile de revenir aux équations de base de la perte de charge, comme celle de Darcy-Weisbach.
Diamètre optimal des tubes
Le calcul de la perte de charge du fluide frigorigène circulant dans un tube n’est qu’une étape du processus de choix du diamètre. En définitive, le choix du diamètre d’une conduite de vapeur est économique : il met en balance le surcoût d’un tube plus gros et l’économie d’énergie du compresseur sur toute la durée de vie de l’équipement.
Perte de charge dans les raccords
Outre la perte de charge dans les tubes droits, les raccords tels que les coudes et les tés provoquent aussi une perte de charge. L’implantation physique de la tuyauterie détermine l’emplacement des coudes et des tés de dérivation. De plus, les vannes entraînent des chutes de pression sensibles, même grandes ouvertes. Il faut faire preuve de discernement quant à l’emplacement des vannes et au type de vanne à choisir. Même des vannes rarement fermées peuvent s’avérer précieuses, dans de rares cas, pour isoler un composant donné, voire une autre vanne. En revanche, des vannes supplémentaires placées sur les conduites de vapeur peuvent représenter une demande permanente de puissance supplémentaire du compresseur chaque fois que le système fonctionne.
Choix du diamètre de la tuyauterie d’une installation frigorifique
Savoir déterminer la perte de charge dans une conduite de fluide frigorigène peut être essentiel, mais il reste à décider quelle perte de charge (ou quelle baisse de température de saturation) spécifier. Si le processus d’optimisation évoqué serait idéal, les concepteurs ont généralement recours à certaines conventions qui donnent au moins des diamètres raisonnables. Les différentes sections de tuyauterie sont traitées séparément :
1 – Aspiration vers le compresseur
La baisse totale de la température de saturation est généralement fixée entre 0,5 et 2 °C (0,9 à 3,6 °F). Les exceptions sont les colonnes montantes, tant pour la détente directe aux halocarbures que pour les évaporateurs à ammoniac en régime noyé (suralimentation en liquide). Pour les systèmes à détente directe aux halocarbures, la vitesse de la vapeur de fluide frigorigène doit être suffisamment élevée pour ramener l’huile vers le compresseur. Pour les évaporateurs à ammoniac en régime noyé, la vitesse de la vapeur dans la colonne montante doit être suffisamment élevée pour chasser le liquide afin qu’il ne remplisse pas la colonne.
2 – Refoulement du compresseur vers le condenseur
La baisse totale de la température de saturation est généralement choisie entre 1,0 et 3,0 °C (1,8 à 5,4 °F). Une baisse donnée de la température de saturation dans la conduite de refoulement pénalise un peu moins la puissance du compresseur que la même baisse côté aspiration.
3 – Liquide haute pression
Une perte de charge dans cette section peut n’avoir aucune incidence sur les performances du système, car la perte de charge qui ne se produit pas dans le tube aura lieu dans le détendeur ou dans la vanne de régulation de niveau. Le détendeur assure la réduction finale de la pression jusqu’à la pression intermédiaire (en compression bi-étagée) ou jusqu’à la basse pression (en compression mono-étagée). La préoccupation concernant la perte de charge dans cette conduite consiste surtout à garantir que la pression ne descende pas jusqu’à la pression de saturation correspondant à la température réelle du fluide frigorigène. Si la pression descendait jusqu’à ce point, le liquide se vaporiserait instantanément (flash), accentuerait le gradient de pression et pourrait restreindre le débit à travers le détendeur. Les vitesses de fluide frigorigène retenues pour les conduites de liquide vont de 1 à 2,5 m/s (3 à 8 ft/s)
4 – Retour liquide/vapeur des évaporateurs vers la bouteille basse pression
La conduite qui ramène le fluide des évaporateurs vers la bouteille basse pression dans les systèmes à recirculation de liquide transporte un mélange de liquide et de vapeur. Le calcul des pertes de charge dans l’écoulement de mélanges liquide/vapeur, bien que possible, est complexe. Pour éviter des calculs fastidieux tout en tenant compte de la présence de liquide, certains concepteurs choisissent le diamètre de la conduite en déterminant d’abord le diamètre approprié si le tube ne transportait que de la vapeur, puis en passant au diamètre supérieur pour tenir compte de l’écoulement combiné du liquide
5 Conduites de dégivrage par gaz chauds.
Pour choisir judicieusement le diamètre, il faut connaître le débit de gaz chauds nécessaire en fonction de la taille de l’évaporateur. Une estimation approximative est que le débit de gaz chauds est le double du débit de fluide frigorigène utilisé en fonctionnement frigorifique. Sur cette hypothèse, les diamètres recommandés pour les dérivations de gaz chauds à l’ammoniac proposés par Hansen se fondent sur une vitesse de 15 m/s (3 000 fpm) avec des gaz chauds à 21 °C (70 °F). Cette vitesse convient aux dérivations de gaz chauds desservant un seul évaporateur d’un groupe d’évaporateurs dégivrés en même temps. Les conduites principales de gaz chauds peuvent être dimensionnées pour transporter la moitié du total de tous les évaporateurs raccordés, en partant du principe que pas plus de la moitié des évaporateurs ne seraient dégivrés en même temps.
Source : Industrial Refrigeration Handbook
